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Modellazione numerica del comportamento dinamico di una
fresatrice a 5 assi
Relatore: Antonio Scippa [email protected]
Dipartimento di Meccanica e Tecnologie Industriali
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08/06/2012 Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 1
Agenda
- Presentazione del Manufacturing Research Laboratory
- Obiettivi dell’attività di ricerca
- Modellazione multi-body di una fresatrice a 3 assi
- Modellazione ibrida numerico-sperimentale per la previsione
delle funzioni di risposta in frequenza al tooltip
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08/06/2012 Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 2
Manufacturing Research Lab.
Risorse umane:
- 2 Ricercatori - 3 Dottorandi - 2 Assegnisti
Nasce nel 2007 sotto la guida del Prof. Andrea Del Taglia
Presidente: Prof. Kazuo Yamazaki (IMS-Mechatronics Laboratory)
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Manufacturing Research Lab.
Attrezzature:
- Metrologia
CMM Mitutoyo EURO-C A776
Rugosimetro Taylor Hobson
Rotondimetro Taylor Hobson
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Manufacturing Research Lab.
Scadas III – LMS International
Shaker e Martelli strumentati – Bruel&Kijar
Accelerometri – PCB
Celle di carico – Kistler
Attrezzature:
- Metrologia
- Sistemi di acquisizione
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Manufacturing Research Lab.
Fresatrice 3 assi Modela MDX-40
Fresatrice 5 assi Mori-Seiki NMV 1500 DCG
Attrezzature:
- Metrologia
- Sistemi di acquisizione
- Macchine Utensili
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Manufacturing Research Lab.
Attività di ricerca
- Simulazione di processo
Processo di Pressofusione (MSC Marc)
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Manufacturing Research Lab.
Attività di ricerca
- Simulazione di processo
Processo di Lappatura (MSC Adams) Pressione [ N/mm2 ]
Tasso di asportazione [ mm3 /s] (Preston):
Velocità relativa [ mm/s ]
Coeff. Abrasione [mm3/J ]
1 2 3 4 5 6 7 8 9
α
Pre
ssio
ne
(N/m
m2)
20000
15000
10000
5000
0
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Manufacturing Research Lab.
Attività di ricerca
- Simulazione di processo
- Green Manufacturing
Lubrication strategy
Lubrication power consumption
Scraps to be treated
Flooded Oil pump Oil soaked
MQL Air compressor Dry
Dry None Dry
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
DRY FLOODED MQL
Electrical Power
Scrap Treatment
[g e
q.
CO
2]
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Manufacturing Research Lab.
Attività di ricerca
- Simulazione di processo
- Green Manufacturing
- Sviluppo di CAM Verticali
Specifiche tecniche
Vincoli tecnologici
Ricostruzione geometrie
Ricostruzione percorsi utensile
G - code
Finitura: passate parallele all’asse
Finitura: passate a spirale rettangolare
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Manufacturing Research Lab.
Attività di ricerca
- Simulazione di processo
- Green Manufacturing
- Sviluppo di CAM Verticali
- Dinamica delle MU
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Manufacturing Research Lab.
Attività di ricerca
- Simulazione di processo
- Green Manufacturing
- Sviluppo di CAM Verticali
- Dinamica delle MU
Obiettivi:
- Riduzione degli errori di lavorazione
Errori di lavorazione:
- Errori quasi statici: Cinematici termici
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Manufacturing Research Lab.
Attività di ricerca
- Simulazione di processo
- Green Manufacturing
- Sviluppo di CAM Verticali
- Dinamica delle MU
Errori di lavorazione:
- Errori quasi statici:
- Errori dinamici: Deflessioni strutturali
Obiettivi:
- Riduzione degli errori di lavorazione
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Manufacturing Research Lab.
Attività di ricerca
- Simulazione di processo
- Green Manufacturing
- Sviluppo di CAM Verticali
- Dinamica delle MU
Obiettivi:
- Riduzione degli errori di lavorazione
- Incremento del tasso di rimozione del materiale
Lavorazioni ad alta velocità (HSM)
elevate forze inerziali
• feed-forward control • Jerk control • Look ahead
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08/06/2012 Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 14
Manufacturing Research Lab.
Attività di ricerca
- Simulazione di processo
- Green Manufacturing
- Sviluppo di CAM Verticali
- Dinamica delle MU
Obiettivi:
- Riduzione degli errori di lavorazione
- Incremento del tasso di rimozione del materiale
- Determinazione delle condizioni di stabilità del taglio
Dipende dalla geometria dell’utensile usato
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Modela MDX-40: modello multi-body
Il modello multi-body della Modela MDX-40 è stato sviluppato in MSC Adams® curando in particolare la modellazione dei giunti
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Modela MDX-40: modello multi-body
Le guide lineari sono state modellate considerando il gioco (funzione delle tolleranze di accoppiamento) e la rigidezza di contatto (valutata con teoria hertziana)
Il modello multi-body della Modela MDX-40 è stato sviluppato in MSC Adams® curando in particolare la modellazione dei giunti
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08/06/2012 Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 17
Modela MDX-40: modello multi-body
La rigidezza delle trasmissioni a cinghia è stata valutata in funzione della posizione e della direzione di moto
Il modello multi-body della Modela MDX-40 è stato sviluppato in MSC Adams® curando in particolare la modellazione dei giunti
[N/m
]
Axis position
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Modela MDX-40: modello multi-body
Verificata l’ipotesi di forze di taglio medie costanti per avanzamenti e profondità di passata costanti;
Per simulare il processo di taglio è stata condotta una campagna sperimentale con cella di carico Kistler (type 9257A)
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Modela MDX-40: modello multi-body
Il confronto numerico sperimentale nel caso di profilatura circolare dimostra la capacità previsionale di un modello multi-body flessibile
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08/06/2012 Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 20
Mori Seiki NMV 1500 DCG: modello multibody
Modellazione MB Flessibile
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Mori Seiki NMV 1500 DCG: modello multibody
Modellazione MB Flessibile
Contributo dei singoli corpi
flessibili all’errore globale di
posizionamento
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Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido
1 2
3
4 5
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08/06/2012 Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 23
Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido
High Speed Milling
Per fresa a 2 taglienti (z = 2):
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08/06/2012 Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 24
Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido
Per HSM è possibile utizzare un approccio ibrido numerico-sperimentale che accoppia un modello a parametri concentrati con il modello FE dell’utensile
Modello a parametri concentrati Rigidezza di contatto
FRF tooltip
Diagramma di stabilità
FEM utensile
Kj (f) mj
Misure Sperimentali
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Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido
Il collegamento tra modello a parametri concentrati e modello FE dell’utensile è possibile tramite la riduzione di Craig Bampton
Rigidezza di contatto FEM utensile
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08/06/2012 Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 26
Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido
Ogni componente è stato validato sperimentalmente mediante analisi modale sperimentale e model updating del modello FE (MSC Nastran)
Modello a parametri concentrati Rigidezza di contatto FEM utensile
Kj (f) mj
Misure Sperimentali
ISCAR Multi-Master shank
FRF of Shank
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08/06/2012 Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 27
Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido
Il confronto numerico sperimentale evidenzia un’ottima capacità previsionale dell’approccio sviluppato
Modello FE accoppiato
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08/06/2012 Modellazione numerica della dinamica di una fresatrice a 5 assi Slide: 28
Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido
Il confronto numerico sperimentale evidenzia un’ottima capacità previsionale dell’approccio sviluppato
Modello FE accoppiato
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Mori Seiki NMV 1500 DCG: approccio ibrido
Il confronto numerico sperimentale evidenzia un’ottima capacità previsionale dell’approccio sviluppato
Modello FE accoppiato
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Conclusioni
• La simulazione numerica può essere applicata con successo per la previsione del comportamento dinamico di macchine utensili.
• Nel caso di macchine utensili progettate per lavorazioni ad alta velocità (caratterizzate da elevate rigidezze) il comportamento dinamico dipende quasi esclusivamente dalle rigidezze dinamiche del mandrino: • È possibile quindi utilizzare un approccio ibrido numerico sperimentale per
la determinazione delle funzioni di risposta in frequenza al tooltip.
• Occorre introdurre un modello delle forze di taglio per determinare le curve di stabilità al Chatter.
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Modellazione numerica della dinamica di MU
Grazie per l’attenzione